現(xiàn)代有軌電車道岔合理剛度分析

王拓

和軌道其他位置不同的是，道岔有著特殊的結(jié)構(gòu)，比如轉(zhuǎn)轍器部分和轍叉部分，是軌道最薄弱的位置之一。道岔部分的受力較其他部分要復(fù)雜，由此也產(chǎn)生了一系列的問題，主要表現(xiàn)為：道砟易破損，道床易板結(jié)，鋼軌下沉量大。轉(zhuǎn)轍器部分的尖軌和基本軌，轍叉部分的心軌和翼軌共同承擔(dān)著車輛行駛產(chǎn)生的移動荷載。因此這些位置剛度變化顯著，需要進(jìn)行剛度均勻化手段來消除這些不利影響。

現(xiàn)代有軌電車道岔軌道剛度的合理配置，會影響到列車運(yùn)行的舒適度，軌道幾何形位，養(yǎng)護(hù)維修等很多方面。因此，合理的軌道剛度對整個軌道系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的，如果軌道剛度過大，會使輪軌相互作用加劇，使列車的運(yùn)行平穩(wěn)性降低，列車運(yùn)行的舒適性和使用壽命也會大打折扣；而如果軌道剛度過小，列車通過時會使軌道變形過大，軌道幾何形位難以保證，這樣軌道的維修量則會大大增大，造成很大的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用和很長的工作時間，而且還不能使軌道設(shè)備物盡其用，造成很大的浪費(fèi)。因此，合理的剛度對軌道系統(tǒng)的平順性有著十分重要的意義，影響著列車通過的安全性和舒適性。

法國的許多鐵路線路都為有砟軌道，因為良好的道砟可以為軌道提供更多的彈性，所以法國格外重視道砟的質(zhì)量。法國鐵道道砟顆粒級配范圍為35～55mm，而且粒徑均勻。有著這種道砟的道床可以為雙塊式軌枕軌道提供60kN/mm的枕下基礎(chǔ)剛度。法國道岔有著特殊的剛度結(jié)構(gòu)組合，即基本軌軌下4.5mm彈性墊層，鐵墊板下為6mm的彈性墊層，轍叉下為9mm的彈性墊層。也就是說，法國是通過選用優(yōu)質(zhì)道砟來對軌道剛度進(jìn)行優(yōu)化的。

為了限制在道岔區(qū)間的鋼軌的動位移過大，在有咋道床的基礎(chǔ)上增加軌下膠墊的剛度。但是這樣做就會導(dǎo)致道岔區(qū)整體剛度過大，增加了道岔軌道的附加力，加大了車輪和軌道之間的相互作用，增加軌下道床和基礎(chǔ)的受力和變形，加快了道岔部件的疲勞損傷。這樣也不能達(dá)到動力學(xué)最優(yōu)的原則，并且加大了對道岔結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)和維修的工作量。

德國道岔鋼軌的扣件剛度一般可以近似的認(rèn)為是17.5kN/m，道岔部分的軌道的整體剛度一般小于區(qū)間線路剛度。這樣有利于降低道岔軌道的附加力，減小車輪和軌道之間的相互作用，降低軌下道床和基礎(chǔ)的受力和變形，減緩道岔部件的疲勞損傷。由于道岔區(qū)間剛度比較小，車輛動輪載的影響范圍比較廣，所以，岔枕上分擔(dān)的支承力也較小。

（1）因為道岔的軌道剛度較小，僅僅只有17.5kN/mm，很容易出現(xiàn)鋼軌的豎向位移過大，尤其是在動荷載條件下，導(dǎo)致道岔區(qū)間軌道大部分下沉較為嚴(yán)重。由于動態(tài)位移的增大，產(chǎn)生對軌道形位不利的影響，同時它也會增大轉(zhuǎn)轍器部分基本軌與尖軌的相對位移，尤其是在尖軌的中部，這個部分產(chǎn)生的相對位移最大。雖然牽引裝置的鎖閉力量大，但是因為牽引的間距太長，還是會使尖軌在荷載未到達(dá)之前提前受力。另外，在車輪動態(tài)荷載的作用下，在不平順動態(tài)系數(shù)的影響下，將會導(dǎo)致軌道的不平順急劇增加。這不但會使列車振動加劇，而且還會使鋼軌的應(yīng)力增加。所以，在對道岔剛度的合理優(yōu)化設(shè)計中，扣件剛度并不是越低越好，而是根據(jù)各種限制條件來進(jìn)行合理的選擇。

（2）因為軌道剛度過低引起鋼軌動態(tài)位移過大，同時鋼軌的應(yīng)力也會增大，在比較惡劣的條件下，鋼軌的應(yīng)力能達(dá)到122MPa。這對于復(fù)雜的道岔區(qū)段，特別是在經(jīng)過剖切后的尖軌和心軌，導(dǎo)致其受力過大而降低了強(qiáng)度安全系數(shù)。

20世紀(jì)80年代左右，我國鐵路道岔扣件系統(tǒng)采用兩種扣件，即轉(zhuǎn)轍器部分和轍叉部分采用分開式扣件，而其他部分采用不分開式扣件。而經(jīng)歷1996年鐵路系統(tǒng)提速后，道岔的扣件系統(tǒng)也有所發(fā)展，整個道岔系統(tǒng)均采用分開式扣件。

中國鐵路道岔的發(fā)展是根據(jù)我國各種地理環(huán)境和社會需求而設(shè)計、研發(fā)和制造的道岔，并以這些道岔為基礎(chǔ)，通過吸取國外道岔的優(yōu)點和不斷地自我創(chuàng)新和設(shè)計研究，對其缺點進(jìn)行不斷地改進(jìn)和完善，還有進(jìn)行不斷地試驗和實際應(yīng)用發(fā)展起來的。

中國道岔的剛度配置是以線路容許通過速度和道岔區(qū)基礎(chǔ)情況為依據(jù)來進(jìn)行的，針對不同的道岔結(jié)構(gòu)采用不同的部件剛度匹配。道岔區(qū)的軌下膠墊一般取值較大，這樣有利于減小基本軌和尖軌、心軌與翼軌之間的剛度差距，從而可以避免產(chǎn)生尖軌或者心軌手里不利的現(xiàn)象，這樣軌道的橫向穩(wěn)定可以得到保證；而道岔的板下膠墊采用較小的剛度，有利于使鋼軌的疲勞損傷速率減緩，使輪載的動附加力得以降低，是列車振動得以減緩，使岔枕和道床的受力和變形得以減輕。

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